依托國家級實驗教學示范中心強化學生機械設計創(chuàng)新能力培養(yǎng)

竺志超，王 勇，祝洲杰

（浙江理工大學機械基礎實驗教學中心，浙江 杭州 310018）

競爭是市場經(jīng)濟存在的基礎，廣泛存在于各行各業(yè)之中，然而競爭的關(guān)鍵在于創(chuàng)新。創(chuàng)新是一個民族進步的靈魂，是國家興旺發(fā)達的不竭動力[1]。對企業(yè)來說，創(chuàng)新是企業(yè)的靈魂，是企業(yè)核心競爭力的來源。因此，對于擔負三大功能的高校而言，創(chuàng)新性人才的培養(yǎng)應該是高校的中心工作。

高校創(chuàng)新性人才應該具備3個基本要素：即扎實的專業(yè)知識、優(yōu)良的創(chuàng)新能力和強烈的創(chuàng)新意識。相應地在創(chuàng)新性人才培養(yǎng)上，應從理論知識教學、創(chuàng)新能力鍛煉和創(chuàng)新意識培養(yǎng)三方面著手。

其中創(chuàng)新能力，應該正確理解為創(chuàng)新思維能力和創(chuàng)新實踐能力的總和，即創(chuàng)新能力=創(chuàng)新思維能力+創(chuàng)新實踐能力，一個是“想”，一個是“做”。凡是能想出新點子、創(chuàng)造出新事物、發(fā)現(xiàn)新路子的思維，都屬于創(chuàng)新思維，是創(chuàng)新實踐和創(chuàng)造力發(fā)揮的前提。一切需要創(chuàng)新的活動都離不開思考，離不開創(chuàng)新思維，可以說，創(chuàng)新思維是一切創(chuàng)新活動的開始。工科學生的創(chuàng)新思維也是一種高度工程化的思維，因此市場意識、成本意識、能源和環(huán)境意識，是工程創(chuàng)新必須接受的制約因素[2]。

而創(chuàng)新實踐，則是通過創(chuàng)新思維得出的創(chuàng)新方案或思路，在實際中的實施，以獲得創(chuàng)新結(jié)果的活動，其最終使創(chuàng)造力得以展示。沒有實踐，好的想法就無法轉(zhuǎn)換成現(xiàn)實。只會“想”，不會“做”，工程創(chuàng)新思維就無法變成工程現(xiàn)實，從事工程活動所追求的建構(gòu)新的存在物，就無法突破。所以，創(chuàng)新實踐必須看作高校工科人才培養(yǎng)的關(guān)鍵，在教學各相關(guān)環(huán)節(jié)都要強化實踐，保證學生寬泛知識面的獲得與創(chuàng)新能力的增強在工程實踐中達到平衡，促進協(xié)調(diào)發(fā)展。

目前，我國普通高校的工科大學生，由于長期受應試教育的影響，與歐美等教育發(fā)達國家學生相比，其應試能力具有很大優(yōu)勢，但在動手能力與創(chuàng)新能力等方面，卻明顯處于劣勢，主要表現(xiàn)在缺乏創(chuàng)新思維能力、缺乏創(chuàng)新技能、缺乏創(chuàng)新毅力、不善于利用和創(chuàng)造條件等方面[3]。這嚴重影響了高等工程教育培養(yǎng)品質(zhì)，阻礙了國家科技實力的發(fā)展提高，所以，工程創(chuàng)新教育的改革，已是刻不容緩。

1 實驗室與創(chuàng)新人才培養(yǎng)的關(guān)系

實驗室是發(fā)現(xiàn)、發(fā)明和工程創(chuàng)新的搖籃。一方面，實驗室是創(chuàng)新人才培養(yǎng)的重要基地，實驗教學是創(chuàng)新能力和創(chuàng)新意識培養(yǎng)的重要手段。學生的知識、理論、技能需通過實踐來理解、掌握和鍛煉，學生創(chuàng)新能力，以及科學態(tài)度、協(xié)同能力等創(chuàng)新意識需要在實驗、實踐中培養(yǎng)。另一方面，大量的發(fā)現(xiàn)、發(fā)明也是來自于實驗室的試驗、實驗活動[4~5]。歐美國家十分重視實驗室建設，美國的很多著名大學都擁有國家實驗室，如設在麻省理工學院的林肯實驗室，加州理工學院的噴氣推進實驗室，加州大學的勞倫斯伯克利實驗室等，并出了很多諾貝爾獎獲得者?？梢姡瑢嶒炇以趧?chuàng)新人才培養(yǎng)中的地位和作用是十分顯著的，是衡量學校辦學實力和人才培養(yǎng)質(zhì)量的標志。

在新形勢下，普通高校應該正確認識實驗室地位，加強實驗室建設，發(fā)揮實驗平臺在創(chuàng)新人才培養(yǎng)中的積極作用。對于工科大學生來說，實驗室是非常重要的學習場所，不僅課堂學到的知識需要通過實踐活動消化吸收（理解）和掌握（會用），而且工程創(chuàng)新活動需要借助實驗平臺的支撐，并且在實踐中鍛煉創(chuàng)新能力，在實踐中培養(yǎng)創(chuàng)新意識[6~8]。然而普通高校當前普遍存在著重視課堂教學、驗環(huán)節(jié)相對偏弱、創(chuàng)新教育不夠重視以及教學工程背景弱化、教學內(nèi)容與工程需求脫節(jié)、學生難以學以致用等諸多問題。這些問題造成高校學生缺少最基礎的工程能力，如畢業(yè)設計時反映出學生無從下手，基礎知識不會綜合應用；就業(yè)時反映出學生的工程經(jīng)驗缺乏，脫離實際。同時，這些問題也嚴重影響了學生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

因此，我們提出，作為機械專業(yè)的幾門主干課程，在機械設計學科相關(guān)系列課程教學中，要充分利用實驗室的功能，關(guān)注學生工程創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

2 實驗室創(chuàng)新實踐環(huán)境的構(gòu)建

作為實驗中心，要更好地發(fā)揮在創(chuàng)新人才培養(yǎng)中的作用，首要是創(chuàng)造良好的創(chuàng)新實踐環(huán)境，包括軟硬件條件。比如提升中心教學理念、對實驗教學體系、課程體系以及實驗教學模式等方面，進行全方位的改革，實行開放管理機制等。

以浙江理工大學國家級機械基礎實驗教學示范中心為例。中心建立了8個功能實驗室，尤其是動平衡特色實驗室、虛擬現(xiàn)實實驗室、仿真實驗室等等，設備先進，軟件一流，符合工程化教學要求。在此基礎上，提出以學生知識綜合應用能力、工程實踐能力和創(chuàng)新能力“三個能力”培養(yǎng)為主線，全方位開放，最大限度地滿足學生全面發(fā)展和個性化發(fā)展需要的先進實驗教學理念。為此，建立滿足“三個能力”培養(yǎng)需要的“2+2”四模塊實驗教學新體系（圖1），建立常規(guī)實驗教學、工程實訓、創(chuàng)新活動“三位一體、四層面并舉”的多元化實驗教學新模式，實現(xiàn)了“常規(guī)教學與個性培養(yǎng)、課內(nèi)實驗與課外實踐、實驗教學與新技術(shù)培訓相結(jié)合”的三個結(jié)合，并取得了良好的效果，獲2009年浙江省第六屆高等教育教學成果一等獎。

圖1 “三個能力”培養(yǎng)的四模塊實驗教學體系

3 實驗中心的學生機械設計創(chuàng)新能力培養(yǎng)

3.1 從機械設計認知規(guī)律分析，加強實踐性，強化動手環(huán)節(jié)

扎實的理論知識，是機械設計創(chuàng)新所必須的。從認知規(guī)律（圖2）分析，機械設計創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，首要是加強實踐強化動手環(huán)節(jié)，通過動手，理解知識原理，掌握理論應用。機械設計對象是實物，是具體的，而機械設計的很多概念卻是抽象的，如機械原理齒廓包絡線概念，要理解會應用，需要通過動手實踐，才能變成真正掌握的知識和經(jīng)驗（即內(nèi)化），并且記憶深刻。

另外，對于機械設計創(chuàng)新能力培養(yǎng)而言，動手能力是創(chuàng)新實踐所必須的?；镜膭邮植僮饔柧毷潜夭豢缮俚?，這些訓練不是為了練就學生在某個方面的熟練技能，而是為他們的技術(shù)集成和創(chuàng)新思維發(fā)展，提供一些經(jīng)驗。

圖2 認知的一般規(guī)律

圍繞學生動手實踐的要求，中心有針對性地開設一系列的課內(nèi)實驗和課外開放實驗與培訓。如中心開設的典型機械認知與方案創(chuàng)新實驗，以典型行業(yè)機械為實驗對象，從功能分析、方案設計到開箱比對，運動簡圖和工作循環(huán)圖繪制，鍛煉學生設計的系統(tǒng)性與工程化，訓練學生的觀察能力、動手能力和知識綜合應用能力，同時讓學生接觸了解典型行業(yè)設備及原理，拓寬知識面，積累集成創(chuàng)新經(jīng)驗。又如中心新開發(fā)一批創(chuàng)新性實驗教學項目，如方案創(chuàng)新的傳動實驗、模式可變的飛輪實驗、項目驅(qū)動的工程材料實驗、非接觸的CCD技術(shù)測量實驗等等，進行開放式管理，無一不是體現(xiàn)了既強化學生動手，又展示創(chuàng)新特色的綜合性實驗。此外，中心為滿足現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展對應用創(chuàng)新型人才的需求，開展新技術(shù)和新技能的培訓，如三維CAD應用工程師培訓、CAXA工程師資格認證培訓、ADAMSANSYS培訓、機械設計工程師培訓、數(shù)控工藝培訓、機電一體化職業(yè)技能培訓、工業(yè)自動化技能人才培訓等，強化動手，掌握技能，為工程創(chuàng)新打好基礎。

3.2 從機械設計學科特點分析，加強工程性，強化工程素質(zhì)

機械設計主要面向機電產(chǎn)品開發(fā)，學科的實踐性、工程性很強，因而創(chuàng)新教學的關(guān)鍵之一，應該在于落腳到工程應用與設計。如果學生連工程應用、工程設計都不會，就更不可能在工程領(lǐng)域進行創(chuàng)新活動。因此，在教學中迫切需要加強教學的工程性，提高學生工程能力。

當前普通高校工程教育的價值取向，缺乏工程化特色，由此導致教學的工程弱化，學生工程素質(zhì)不高。許多工程類專業(yè)教學不僅仍在沿用純理科的教學模式，簡單地用科學思維代替工程思維，追求科學真理代替追求工程最佳，而且廣泛使用計算機模擬來取代工程實踐，夸大計算機模擬的作用?，F(xiàn)在學生做一個設計，用計算機模擬一下就結(jié)束，帶給學生的這種經(jīng)驗，在工程上與實際差距較大。還有大學工科教師大都是從校門到校門，最缺乏的就是工程實踐的知識、經(jīng)驗和素養(yǎng)[2]，導致學校所教和企業(yè)所需存在脫節(jié)。

另外，學校在培養(yǎng)人的觀念上與現(xiàn)實存在差距。學校側(cè)重培養(yǎng)學生的發(fā)展?jié)摿Γ雎粤似髽I(yè)用人規(guī)則，也就是即聘即用。這些問題造成普通高校人才培養(yǎng)模式和企業(yè)用人需求脫節(jié)，企業(yè)對學校人才培養(yǎng)的滿意度不夠高。

為此，筆者認為對加強機械設計教學的工程化，需要采取一些實質(zhì)性的措施，提出與工程“零距離”的教學模式，即教學要素工程化，包括教材（教學內(nèi)容）、教學設備、教學方法和手段以及教師的施教等。例如實驗教學內(nèi)容工程化，案例多取工程實例，如以絲織機等實際機械設備為對象的機構(gòu)運動參數(shù)測量、企業(yè)零部件與企業(yè)級動平衡機進行動平衡、實驗教學軟件與企業(yè)主流軟件接軌等；多采用現(xiàn)場教學，少用虛擬手段；強化校外實踐基地建設，聘請兼職工程師擔任實踐性環(huán)節(jié)指導教師，結(jié)合他們豐富的實際工作經(jīng)驗授課，并培養(yǎng)青年教師；學生直接參與企業(yè)橫向課題研究等。這些措施在機械設計教學工程化方面，起到了積極作用，學生評價好。

3.3 從機械設計創(chuàng)新過程分析，加強思維訓練，強化創(chuàng)新能力

機械產(chǎn)品的創(chuàng)新設計，從原理、方案到結(jié)構(gòu)設計最后到產(chǎn)品，整個過程（圖3）是非常復雜的，其中包括功能原理、設計方法等，涉及的學科面廣，技術(shù)集成度高。產(chǎn)品要創(chuàng)新，尤其是原理創(chuàng)新，需要設計師具備很強的創(chuàng)新思維能力，掌握一定的創(chuàng)新技法。機械設計的創(chuàng)新，實際上就是根據(jù)已知需求探尋最佳的設計方案，有時是功能原理上創(chuàng)新，有時是技術(shù)集成創(chuàng)新，需要綜合考慮工程的系統(tǒng)性、集成性、建構(gòu)性、創(chuàng)新性，所涉及的知識除專業(yè)知識外，還有與人、社會、自然環(huán)境等關(guān)系方面的，還包括設計的技術(shù)經(jīng)濟評價，整個創(chuàng)新過程也會遇到意想不到的困難，而創(chuàng)新思維能力在整個創(chuàng)新過程中，起到關(guān)鍵作用。

圖3 機械設計的創(chuàng)新過程與創(chuàng)新素質(zhì)

在當今社會，企業(yè)的競爭就是產(chǎn)品的競爭，產(chǎn)品競爭的核心就是創(chuàng)新人才。因此，機械設計創(chuàng)新人才的培養(yǎng)，是高校工程教育的重要職責，創(chuàng)新教育是專業(yè)教育的重要組成部分。而創(chuàng)新無處不在，人人可以創(chuàng)新，需要培養(yǎng)機械相關(guān)專業(yè)學生有強烈的創(chuàng)新意識，創(chuàng)新沖動，以創(chuàng)新為樂；同時創(chuàng)新是有規(guī)律的，學生必須學習創(chuàng)新技法，掌握創(chuàng)新技能，訓練創(chuàng)新思維，突破創(chuàng)新障礙。沒有創(chuàng)新意識和創(chuàng)新技能，也不可能有良好的創(chuàng)新思維能力。

3.4 以多種載體形式，舉辦系列機械設計創(chuàng)新活動

為了提高學生的創(chuàng)新思維能力，培養(yǎng)創(chuàng)新意識，訓練創(chuàng)新技法，中心以多種載體形式，舉辦了機械設計系列創(chuàng)新活動。

（1）創(chuàng)新與應用綜合訓練。利用國家級示范中心平臺和本身的資源優(yōu)勢，在教學計劃外創(chuàng)辦創(chuàng)新與應用實驗班，聘請全校最優(yōu)秀的相關(guān)老師以及企業(yè)工程師授課。實驗班教學內(nèi)容體系分基礎訓練、專業(yè)訓練和專業(yè)實踐3個層次，共分3個學期完成。其中基礎訓練層次，包括創(chuàng)新思維和方法、機電系統(tǒng)創(chuàng)新實例講座；專業(yè)訓練層次，包括機械創(chuàng)新設計與訓練和機電創(chuàng)新設計與訓練；專業(yè)實踐層次，則包括下述的科研和各項學生科研訓練計劃的實踐與訓練等。

（2）項目驅(qū)動促訓練。中心組織學生以小組的形式，參與中心教師的橫向科研項目，申報省科技廳支持的新苗計劃（學生項目），參加機械學科相關(guān)競賽和挑戰(zhàn)杯活動等，另外中心在學校支持下，發(fā)起組織科研訓練計劃（2008至2009年間共資助了14個學生科研訓練計劃）。

（3）學生自主學習活動。中心通過宣傳引導，以學生申請、老師指導、學生實施、完成專題自主學習及總結(jié)評價的過程，組織學生社團（經(jīng)學校批準的學生自主活動）、興趣小組（針對感興趣的主題自己組隊）等形式，參與機械設計的創(chuàng)新活動。如慧魚社團，學生自行管理中心的慧魚創(chuàng)意模型室，已連續(xù)組織了共5屆創(chuàng)意模型大賽，成為校星級社團，并于2010和2007年分獲全國大學生機械創(chuàng)新設計大賽慧魚組一、二等獎。

4 結(jié)束語

學生機械設計創(chuàng)新能力培養(yǎng)，對于提高機械類學生的綜合素質(zhì)以及學生擇業(yè)的競爭力，都有很大的幫助。浙江理工大學機械基礎實驗教學中心，依托國家級示范中心的大平臺，以“三個能力”培養(yǎng)為主線，在學生的創(chuàng)新能力培養(yǎng)方面，深化創(chuàng)新教學改革，并從加強實踐、加強工程化和加強創(chuàng)新思維訓練等方面著手，推出了一些針對性措施，已取得了良好的成效。

[1]江澤民..論科學技術(shù)[M].北京：中央文獻出版社，2001.

[2]姜嘉樂.工程教育永遠要面向工程實踐——萬鋼校長訪談錄[J].高等工程教育，2006，（4）：1-7.

[3]帥玉妹.大學生機械設計創(chuàng)新能力的培養(yǎng)思路[J].中國西部科技，2009，8（31）：58-59，61.

[4]王興邦.面向21世紀我國實驗室的建設與管理[Z].高校實驗教學改革與實驗室管理創(chuàng)新研討班講話，西寧.2010.7

[5]郭恩棉.淺談新時期實驗室工作的作用和地位[J].中國現(xiàn)代教育裝備，2008，（9）：89-90.

[6]羅正祥.理論基礎與工程實踐并重，培養(yǎng)創(chuàng)新型人才[J].實驗技術(shù)與管理，2006，23（2）：1-4.

[7]馮啟明.加強實踐教學，培養(yǎng)學生工程實踐與創(chuàng)新能力[J].高教研究，2007，84（3）：47-49.

[8]周作元，李景奇，王興邦，等.處于世紀之交的高校實驗室工作的地位與改革思路[J].實驗技術(shù)與管理，1998，15（1）：1-8.